纳米材料在新能源领域中地应用

1、纳米材料在新能源领域中的应用学科：纳米材料班级：能科131班姓名：李阳学号:1308020210教师：目录摘要31绪论32纳米技术与太阳能32.1 纳米线太阳能电池42.2 染料敏化纳米晶Ti02太阳能电池42.3 纳米晶/聚合物电池52.4 纳米银增强聚合物太阳能电池63纳米技术与风能63.1 应用于风机齿轮箱的纳米润滑添加剂63.2 碳纳米管/高分子纳米复合材料在风机叶片中的应用研究.73.3 纳米粒子增强基体树脂用于碳纤维风机叶片棒材84纳米材料与其他新能源5展望9摘要能源与环境的可持续开展是当今世界人类社会的两个重要开展战略.随着全球经济的开展,人们对能源的需求正在不断增长,新能源的开

2、展势在必行.同时,纳米技术作为一种新科技需要一个良好的操作空间,新能源领域由于投入大、发展快、起步低、改革本钱低所以十分适合诸多纳米技术的引进与开展.因此本文将会结合笔者所属的新能源专业来介绍纳米材料的应用.其中最被看好的是应用于太阳能电池,提升太阳能电池的性能.而在风能领域中,虽然大多停留在实验室阶段,但仍具有十分广阔的应用前景.除此以外也有很多其他新能源的纳米应用,比方储氢电池等,也是具有巨大价值的.我们有足够的信心相信将来纳米与新能源将是强有力的结合,以全新的面貌改变我们的生活.关键词：纳米新能源、风能、太阳能、纳米材料1绪论人类进入二十一世纪以来,和谐与开展已是永恒的主题,能源与环境已

3、成为全球关注的焦点.能源是人类活动的物质根底,环境是人类赖以生存的外部条件,解决能源短缺和环境污染问题是实现可持续开展、提升人民生活质量和保证国家平安的迫切需要.急剧增加的世界人口和不断推进的工业化进程更使得世界能源消耗量飙升.据预测,以目前的消耗速度,即使是地球储量较丰富的煤炭资源,在未来200年内也将消耗殆尽.同时,以煤、石油、天然气为主的化石燃料的燃烧释放的大量的有害气体COHSSO、NO等、温室气体C02、粉尘及碳氢化合物等有害物质,又带来了酸雨、臭氧层破坏、热污染、放射性污染、“温室效应等诸多严重影响人体健康的环境问题.在能源危机和环境问题的双重压力下,太阳能、风能等作为取之不尽、用

4、之不竭的清洁可再生能源引起了全世界研究人员的热切关注.1然而,这些目标的实现都离不开科学,尤其是新材料方面的重大突破.其中不得不谈到纳米技术,科学家们关于新材料的设想越来越明晰了,他们以纳米为单位来设计新材料,在这样小的尺寸上,新材料可以拥有自己的特性,这些属性可以提供理想的功能2,最近一系列研究说明,纳米材料在能源领域拥有广阔潜力.因此,诸多应用于新能源领域的纳米技术问世以及投入运作.32纳米技术与太阳能世界上最丰慝的可再生能源就是太阳能,而对太阳能高效利用最有前景的一种方式是太阳能电池.太阳能电池从创造到现在,已经有200多年了.然而太阳能电池在能源领域的应用却依然无法与传统能源所抗衡.阻

5、碍太阳能电池大规模应用的原因主要有两个：相对较低的光电转换效率和较高的制造本钱.4为了解决这两个问题,目前有大量的研究工作围绕纳米结构的太阳能电池而展开,以提升太阳能电池的表现.52.1 纳米线太阳能电池为了提升太阳能电池的转换效率并且降低太阳能电池的制造本钱,最近几年,科研人员把注意力集中在纳米结构的太阳能电池上.它们将传统的三维体材料电池,变成二维的纳米线太阳能电池,甚至是一维的量子点结构太阳能电池,以到达提升电池转换效率的目的.2纳米线在太阳能电池上的应用主要有3种,(1)纳米线结构作为减反层;(2)轴向pn结纳米线电池；(3)径向pn结纳米线电池.6纳米线最简单、最直接的应用就是制作在

6、太阳能电池的外表,作为减反层来提升电池的效率.相比于传统的平板和薄膜太阳能电池,纳来线太阳能电池有优异的减反射效果.这是由于入射光在纳米线中会进行屡次散射,形成“陷光效应,从而增加被吸收的几率.并且纳米线对入射光的偏振方向,入射角度,入射波长也不敏感,导致纳来线对入射光有很强的捕获水平.轴向pn结纳米线电池的设计与制作起源于叠层薄膜电池.它采用各种不同禁带宽度的子电池沿轴向堆叠形成.实际制作中,它是依靠不同子电池的掺杂不同或者制作材料不同而形成堆叠的pn结.轴向pn结纳米线电池现在的研究方向主要是在纳来线中制作叠层的量子以提升电池的效率.6径向pn结的纳米线的结构如下列图.3IT42.2 染料

7、敏化纳米晶Ti02太阳能电池新近开展起来的的染料敏化太阳能电池受到国内外研究者的普遍关注.染料敏化太阳能电池的研究历史可以追溯到上世纪60年代,德国科学家Tributseh等首次发现了染料吸附在半导体上在一定条件下能产生电流,成为光电化学电池的重要根底.3然而,直到1991年以前,大多数染料敏化太阳能电池的光电转换效率都非常低,均小于1%7但是到了目前,染料敏化太阳能电池的光电转换效率己稳定在10犯上.其中,纳米多孔二氧化钛的技术改变尤为重要,即采用了纳米颗粒、纳米管、纳米线、纳米纤维等不同形貌的纳米结构.9它的本钱为Si太阳能电池的1/5到1/10,使用寿命可达15年以上.该类太阳能电池具有

8、结构、工艺简单、本钱低廉、易于制造的优点；其光电压是纳米二氧化铁在光照下的费米能级与电解质氧化-复原电势之差,对光强度变化和温度变化不敏感,光稳定性好,对环境无污染,是一种非常有前途的清洁太阳能装置.一旦染料敏化太阳能电池的光电转化效率进一步提升,封装问题、使用寿命问题得到很好的解决,染料敏化太阳能电池很有可能在不久的将来成为一种具有竞争力的商业化产品.10因此,染料敏化太阳能电池的研究对缓解当今世界的能源危机问题具有非常重要的现实意义.11对电极帕/碳等催化剂lY透明导电层在染料敏化太阳能电池的膜电极中参加尺寸较大的二氧化铁颗粒如尺寸处在100到400nm的一维结构材料、尺寸约100nm的二

9、维结构材料和尺寸处在几百纳米到1的三维空心结构材料等后,这些尺寸较大的二氧化钛颗粒能够作为光散射中央,从而增加光在膜中的光程.122.3 纳米晶/聚合物电池常见的纳米晶/聚合物太阳能电池是由阴阳极纳米晶与聚合物复合的光活性层阳极缓冲层等几局部组成,其中,聚合物用作电子给体和空穴传输介质,纳米品用作电子受体和电子传输介质其结构及能级图如下图上在光照下,电池中的半导体纳米晶和聚合物同时吸收光子,产生电子空穴对由于纳米晶具有较强的电子亲合力电势能,而聚合物电离能相对较低,两者之间的电势差形成电场14,在该电场中,电子空穴对别离形成载流子纳米晶受体上的电子和聚合物给体上的空穴,别离后的电子和空穴分别沿

10、着各自的路径运行到相应电极,从而与聚合物形成率.14noiymefPEDOTPG$ITOvarious评luiphN四iea掌、,占怕后形成电流$由于半导体纳米晶具有较高的电子亲合能和迁移率,且其比外表积大,p-n结,为电荷别离提供了充足的动力和界面,利于提升电池效2.4 纳米银增强聚合物太阳能电池基于共腕聚合物给体材料P3HT和富勒烯衍生物受体材料PCBM#混的体异质结结构的聚合物太阳能电池因其空穴载流子迁移率低而限制了P3HT:PCBM.能层厚度,从而影响了器件对入射光的吸收.在聚合物功能层内引入金属纳米颗粒可以利用金属外表等离子体效应增强器件内电场并改善器件的光吸收.通过在器件内引入金属

11、纳米颗粒,可利用等离子体增强效应增参加射光子在功能层传输光程.对于聚合物太阳能电池而言,使用等离子体增强效应以高效利15用太阳光意味着聚合物功能层可以进一步减薄.利用FDTD方法分析了纳米银增强型聚合物太阳能电池内光电场分布以及纳米银对器件光吸收的增强作用,发现：在聚合物功能层中参加纳米银颗粒后,由于纳米银对光的散射作用,器件内电场局域增强导致器件在380700波长范围内的光吸收均有所增强.通过对平板型和纳米银光吸收增强型聚合物太阳能的性能比照实验发现：掺杂纳米银的聚合物功能层最大光吸收在波长为445nm处增强了41.7%,外量子效率在520nm处提升了17.9%.3纳米技术与风能现今的中国,

12、风能发电量超越了核能,排在第三位,仅次于传统的火电与水电.风能的应用前景是十分广阔的,据调查,中国可利用风能发电量是用电量的两倍,十分充足.而风电开展也只是起步,还需要时间与不断的技术革新.于是已经有很多研究人员已经开始利用纳米材料优异的性质来着手改良风能发电技术.而取得的成果也是十分喜人的.3.1 应用于风机齿轮箱的纳米润滑添加剂风能转换为电能的风力涡轮机中,齿轮和其他机械组件的一些关键组件,它们的耐久性和效率都受到一些摩擦问题如微点蚀、磨损、擦伤、剥落受损.为了解决这些问题,在这项研究中,提出了将外表处理的组合方法电解渗硼配合纳米润滑油添加剂的使用.氮化硼基固体润滑剂的制造和平面齿轮钢试样

13、渗硼渗硼过程中使用了一种新型的电化学.纳米润滑油添加剂及渗硼外表的组合测试其摩擦学性能,主要是摩擦磨损,在很宽的范围内使用一个滑动接触的线性往复接触条件.试验后的外表进行分析,探讨摩擦化学作用与钢外表摩擦膜的化学表征胶体润滑剂采用XPSX射线光电子能谱.磨损的特征还在于,使用光学轮廓测量.渗硼外表增强的外表层的机械性能,提升耐磨性.止匕外,据观察,氮化硼一170有望提升耐直分散在油中形成稳定的摩擦膜,以到达提升摩擦学性能的重要久性和先进的风力发电机组传动系统部件效率.3.2 碳纳米管/高分子纳米复合材料在风机叶片中的应用研究碳纳米管CNTS是一种管状一维纳米材料,具有优异的力学、电学、热学性质

14、.通过在高分子基体中添加少量的CNTs就可以使材料的性能得到非常显著的改善.例如在典型的叶片用环氧树脂中添加0.5%的CNTs材料的导热率可以提高80%Z上,碳纳米管/高分子纳米复合材料还具有独特的多功能性质.18通过在风机叶片材料一纤维增强复合材料的组分纤维或基体中引进碳纳米材料,可以提升基体的性质以及纤维和FRP基体之间的界面作用,进而为改善风机叶片的整体性能提供了可能.19自从日本科学家年首次发现了碳纳米管以来,碳纳米管以质量轻、弹性模量高、抗拉强度高、韧性高,且长径比高达100-1000nni作为增强相用以提升复合材料的力学性能受到广泛关注.风机叶片作为风力发电机组的关键核心部件,它的

15、性能至关重要.随着叶片尺寸越来越大,其重量和性能要求也越来越高,它的选材、设计和制造工艺直接影响风力发电机组的整体性能、风能的利用率和风力发电的经济性.17风机叶片常用材料为玻璃纤维、环氧树脂碳纤维、环氧树脂复合材料或碳纤维、玻璃纤维、环氧树脂混杂材料.假设将碳纳米管作为增强相,添加到玻璃纤维或碳纤维复合材料中制成碳纳米管增强玻璃纤维或碳纤维复合材料,可大大改善现有风机叶片复合材料的力学性能.20IT.I-QQ06oolo,c)'0-&F3.3 纳米粒子增强基体树脂用于碳纤维风机叶片棒材据位于美国明尼苏达州圣堡罗的3M公司报道,目前在复合材料市场复苏中,展售其公司的3381基体

16、树脂.这是一种新设计的纳米粒子增强的环氧树脂,具有高性能,可同预浸料在工艺过程中相容,适用于复合材料.据该公司说,这类树脂持有独特的化学性,与一种专门的纳米粒子与添加剂相结合,形成3M公司的配方,防止韧性/弯曲度、刚度/硬度传统的交替换位.该树脂比标准环氧树脂密度高(根据ASTMD792测定,该树脂密度为1.48g/cm3,标准树脂密度为1.2g/cm3).该树脂能减少线性收缩,收缩率为0.58%,而标准环氧树脂的收缩率为1%该树脂还可提升抗断裂韧性,几率达50%同时提升布氏硬度至67,而标准环氧树脂的布氏硬度为59.止匕外,填料有助于降低热膨胀系数该树脂热膨胀系数为44.6mm/(m-),而

17、标准环氧树脂热膨胀系数为59.5m/(m'C)0这种3381环氧树脂将安排商品化生产,主要为风机叶片碳纤维增强圆棒结构材料使用.这种圆棒在长风机叶片上必须采用,还包括层压板材.该树脂在固化期间减少升温,能提升效率.214纳米材料与其他新能源随着科技的开展,纳米技术越来越多地应用在新能源电池中.由于使用纳米材料的新能源电池表现出不同于普通电池的优异性能,因此越来越多的研究人员开始关注纳米技术在新能源电池领域的应用.StoreDot公司使用纳米技术开发出新型有机材料制成的电池可以实现比传统锂电池更快的充放电速度.该公司称他们的技术可以让困扰传统锂电池的电阻问题得到极大改善.5在核能方面,麻

18、省理工的迈克尔蒂米科维茨博士成功地研发出复合材料纳米化的设计模型.通过该模型,人们有望获得纳米复合材料具有其组成物质所没有的全新的材料特性.这种物质可以代替不锈钢给核反响堆做内壁来延长核反响堆的使用寿命,并将使核燃料得到更高效的利用来提升反响堆的效率.25展望纳米材料正在不断开展中,性能也日益优越.与此同时,新能源也在蓬勃地成长中,终有一天会取代传统能源,成为未来生活的第一支柱.而有了纳米材料的助力,新能源一定会更好、更快、更富有生机地开展.我们相信,纳米科技终将在新能源领域大放光荣,同时也将会把新能源建设得更加富有创造性.参考文献1. 娜娜.技术与市场2021,(09),95.2. 丁轶.山

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